计及铁损时电动汽车用感应电机的Hamilton建模及无源控制

针对电动汽车电驱动系统的非线性特点,采用端口受控Hamilton系统理论与无源性控制原理研究了计及铁损的电动汽车用感应电机系统的建模和控制问题.首先,选取系统的总能量作为Hamilton函数,推导出考虑铁损的感应电机端口受控Hamilton模型,然后利用系统的互联和阻尼配置以及能量成形对闭环电动汽车电驱动系统进行无源控制,并分析了闭环系统的稳定性.由于闭环系统的Hamilton函数可作为Lyapunov存储函数,从而使控制器设计和稳定性分析更容易,控制器更加简单和易于实现.仿真结果验证了新控制策略的有效和快速性.     

基于自抗扰技术的感应电机无传感器控制

针对感应电机无传感器矢量控制系统速度估计超调量大,鲁棒性低的问题,基于自抗扰控制理论,设计了速度控制器,有效解决上述问题.所设计的自抗扰速度控制器包括扩张状态观测器和非线性状态反馈控制律,前者将扰动作为扩展状态,后者将估计转速与给定转速之差通过非线性函数变换推导出控制律.该自抗扰控制器不需要直接测量外扰,也不需要知道扰动作用规律,凡是能够应用常规PID的场合,只要能数字化,都可采用.用Matlab搭建系统仿真模型,在dSPACE平台上进行在线实验.实验结果表明该自扰控制器不依赖于外扰数学模型,具有较好的抗扰性,有效降低了速度佑计的超调量.感应电机常用于伺服系统中,系统要求可靠性高,高精度控制,因而此方法的应用前景十分广阔.     

无速度传感器的表面式永磁同步电机无源控制策略

针对高性能的表面式永磁同步电机(SPMSM)调速系统,考虑电机实际运行过程中逆变器非线性因素对传动系统的影响,推导出考虑逆变器的SPMSM系统统一端口受控耗散哈密顿数学模型。基于能量成形方法和端口受控耗散哈密顿系统原理,设计SPMSM驱动系统的无源控制器,利用带扩张状态观测器的自适应滑模控制设计速度调节器,得到??轴期望的电流并实现转速的估计,逆变器非线性扰动由扩张状态观测器进行补偿。仿真结果表明,所提出方法实现了较高的速度估计精度,使调速系统具有优良的动、静态性能。     

永磁同步电动机无速度传感器矢量调速系统的积分反步控制

基于永磁同步电动机(PMSM)的数学模型, 设计了由积分反步控制和滑模变结构模型参考自适应系统组成的无速度传感器矢量控制系统. 其中带有积分作用的反步控制作为矢量系统的速度和电流控制器, 实现给定速度和电流的无静差跟踪; 而滑模变结构模型参考自适应方法作为速度辨识器估计电机速度, 能够快速准确的跟踪实际速度. 通过Lyapunov定理证明了所设计的速度控制器和辨识器的稳定性. 仿真结果验证了所设计的无速度传感器矢量调速系统良好的速度跟踪性能和抗扰动性能.     

哈密顿形式下永磁同步电机的无源控制

为了对永磁同步电机进行简单有效的控制,研究端口受控哈密顿系统(PCH)原理在PMSM控制中的应用.推导了标准PCH系统的静态反馈镇定律和系统吸引域,并将PMSM数学模型成功转换为PCH形式,进而根据期望的平衡点和阻耗大小设计了PMSM的PCH控制器.该方法未进行线性化处理,充分利用了系统的端口结构和内部无源性,所设计的控制器物理意义明确,具有参数调节容易、控制器简单的优点,同时无积分饱和的问题,易于工程实现.仿真证明了理论分析的正确性和控制律的有效性.     

基于Hamilton理论的可逆冷带轧机速度张力系统无张力计控制

基于反馈耗散Hamilton理论研究了可逆冷带轧机速度张力系统的无张力计控制问题. 首先,对系统速度张力外环(主轧机速度环和左、右卷取机张力控制环)进行预反馈控制, 并采用反馈耗散Hamilton理论完成了速度张力外环控制器的设计. 其次, 为了实现系统的无张力计控制及对摄动参数的自适应估计, 基于"扩张系统+反馈"方法完成了系统速度张力外环自适应状态观测器的设计. 再次, 为了实现可逆冷带轧机主轧机速度和左、右卷取机张力间的协调控制及对外扰不确定项的干扰抑制, 基于backstepping方法完成了系统电流内环鲁棒控制器的设计. 理论分析表明, 所提出的控制方法能够保证闭环系统的鲁棒稳定性. 最后, 基于某1422mm可逆冷带轧机速度张力系统的实际数据进行仿真, 并同串级PI控制方法相比较, 结果验证了本文所提方法的有效性.     

时延遥操作系统的能量观测与控制研究进展

能量观测与控制方法基于无源理论,在有源网络端口观测力和速度(位置)信号,分析并动态补偿能量以保持网络稳定,无需控制对象模型信息和通信传输时延估计。综述了时延遥操作系统的一端口和二端口网络能量观测与控制方案的研究进展,讨论了存在的主要问题,并指出进一步研究的方向为定量分析操作性能、改进控制器工作条件、克服传感器影响和安全操作等。     

基于扩张PCHD 模型的永磁同步电机无源控制

针对常规无源控制器在受到外部常值干扰和输入常值干扰的情况下系统会出现静差的问题, 设计加入积分反馈来消除上述干扰所引起的静差. 建立永磁同步电机受扰的端口受控耗散哈密顿系统模型(PCHD), 采用互联和阻尼分配无源控制方法, 同时加入积分比例动态反馈, 设计了永磁同步电机的速度控制器, 以保证闭环扩张系统依然具有PCHD 模型形式, 使系统稳定于期望平衡点. 最后通过仿真结果表明了所提出的控制策略的有效性.

     

基于统一PCHD 建模的永磁同步电机无源控制

针对表面式永磁同步电机( SPMSM) 驱动系统的非线性特点,着眼于调速系统的 高性能要求,基于互联和阻尼配置的能量成形方法和端口受控耗散哈密顿( PCHD) 系统原理, 研究了SPMSM 系统的统一PCHD 建模和速度控制问题。首先,从能量平衡的观点,建立了逆 变器、考虑铁损的SPMSM、机械负载一体的不确定系统统一PCHD 数学模型,然后在此基础 上,设计了SPMSM 驱动系统的无源控制器,逆变器非线性扰动由扩张状态观测器进行补偿, 最后利用自抗扰控制设计了速度调节器得到q 轴期望的电流,所得控制器更加简单和容易实 现。仿真结果表明,所提方法实现了全局稳定性控制、鲁棒性强; 调速系统具有优良的动、静 态性能。     

固定翼无人机的自抗扰反步控制

针对固定翼无人机姿态和速度控制中系统存在模型不确定性和外界扰动的情况,本文设计了基于扩张状态观测器的反步控制器抑制系统扰动以提高无人机的控制性能.首先建立无人机速度误差模型和姿态误差模型,其中姿态误差模型采用四元数作为变量以避免欧拉角在描述姿态时存在的奇点问题和复杂三角运算;进而设计扩张状态观测器对系统中存在的扰动进行估计,并将扰动估计值与控制器设计相结合,分别设计出姿态控制器和速度控制器来抑制扰动的影响且使无人机姿态和速度收敛到期望值.最后基于李雅普诺夫理论证明系统的稳定性.仿真结果表明,本文所设计方法能够抑制系统中存在的扰动.     

风力发电系统的恒功率非线性H∞鲁棒控制

风力发电系统传统控制器的缺点在于, 基于某一工况点的局部线性化方法无法实现全局范围的精确控制, 且传统的控制理论无法应对内外干扰. 本文将精确反馈线性化方法与线性H∞理论相结合设计非线性H∞控制器. 首先用微分几何精确线性化方法将非线性风电模型全局线性化, 然后运用线性H∞控制理论对此线性系统设计控制器, 将两者结合有原风电系统的非线性H∞变桨距控制器. 最后对12 m/s至24 m/s阶跃风, 12 m/至22 m/s骤变风, 18 m/s至20 m/s随机风, 以及风力机转动惯量下降10%的情况进行仿真, 能实现风机转速及输出功率的恒定. 验证了该控制器在全风速段的精确控制, 并且具有良好鲁棒性.     

Nonlinear PI control for variable pitch wind turbine

Wind turbine uses a pitch angle controller to reduce the power captured above the rated wind speed and release the mechanical stress of the drive train. This paper investigates a nonlinear PI (N-PI) based pitch angle controller, by designing an extended-order state and perturbation observer to estimate and compensate unknown time-varying nonlinearities and disturbances. The proposed N-PI does not require the accurate model and uses only one set of PI parameters to provide a global optimal performance under wind speed changes. Simulation verification is based on a simplified two-mass wind turbine model and a detailed aero-elastic wind turbine simulator (FAST), respectively. Simulation results show that the N-PI controller can provide better dynamic performances of power regulation, load stress reduction and actuator usage, comparing with the conventional PI and gain-scheduled PI controller, and better robustness against of model uncertainties than feedback linearization control.     

具有尾缘襟翼风力机的恒功率反步法控制

尾缘襟翼风力机控制技术在大型风力机领域具有巨大的应用潜力.本文首先基于修正的叶素动量方法建立了具有可变尾缘襟翼的风力机气动模型.针对襟翼风力机的非线性模型,采用反步法设计了非线性控制器,保证系统的控制量和状态变量全局有界,并且风机的输出功率可以收敛到额定功率的一个小邻域内.此外,控制器设计过程中没有将实时风速信息纳入反馈系统,因而降低了工程实施的难度.最后针对12 m/s～15 m/s的阶跃风、基于四分量模型模拟的风载扰动、执行机构受到外部扰动以及总转动惯量具有10%不确定性的工况进行了仿真,仿真结果表明所设计的控制器能有效地稳定风力发电系统的输出功率,控制系统具有较强的鲁棒性.     

Robust Wind Speed Estimation and Control of Variable Speed Wind Turbines

In this work, a robust control scheme for variable speed wind turbine system that incorporates a doubly feed induction generator is described. The sliding mode controller is designed in order to track the optimum wind turbine speed value that produces the maximum power extraction for different wind speed values. A robust sliding mode observer for the aerodynamic torque is also proposed in order to avoid the wind speed sensors in the control scheme. The controller uses the estimated aerodynamic torque in order to calculate the reference value for the wind turbine speed. Another sliding mode control is also proposed in order to maintain the dc‐link voltage constant regardless of the direction of the rotor power flow. The stability analysis of the proposed controller under disturbances and parameter uncertainties is provided using the Lyapunov stability theory. Finally, the simulation results show that the proposed control scheme provides a high‐performance turbine speed control, in order to obtain the maximum wind power generation, and a high‐performance dc‐link regulation in the presence of system uncertainties.     

Adaptive NN state error PCH trajectory tracking control for unmanned surface vessel with uncertainties and input saturation

A novel robust state error port controlled Hamiltonian (PCH) trajectory tracking controller of an unmanned surface vessel (USV) subject to time-varying disturbances, dynamic uncertainties and control input saturation is presented. The proposed control scheme combines the advantages of the high robustness and energy minimization of the state error PCH approach and the approximation capability of adaptive radial basis function neural networks (RBFNNs). Adaptive RBFNNs are used to the time-varying disturbances of the environment and unknown dynamics uncertainties of the USV model. The state error PCH control approach is designed such that the system can optimize energy consumption, and the state error PCH technique makes the designed trajectory tracking controller be easy to implement in practice. To handle the effect of the control input saturation, a Gaussian error function model is employed. It has been demonstrated that the proposed approach can maintain the USV's trajectory at the desired trajectory, while the closed-loop control system can guarantee the uniformly ultimate boundedness. The energy consumption model of the USV is constructed to reveal to the energy consumption. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed controller.     

基于微分几何的风力发电机组恒功率控制

当风速超过额定值时, 可以通过降低风力机的转速实现恒功率控制从而避免使用复杂的变桨距机构, 本文基于微分几何理论设计了非线性控制器, 实现了变速风力发电机组的恒功率控制. 首先, 分析了风力机的空气动力学特性, 这是所提出的恒功率控制方法的理论依据; 然后, 通过微分几何反馈线性化变换, 将风力机的非线性模型全局线性化; 最后, 基于新的线性化模型设计了非线性控制器, 实现了变速风力机的全局精确线性化控制. 仿真结果表明, 所提出的控制方法在风速大范围变化的情况下能有效的实现变速风力发电机组额定风速以上的恒功率控制.     

变桨距风力发电机组恒功率反馈线性化控制

在额定风速以上时,为保证风电机组的安全稳定运行,需要降低风力机捕获风能,使风力机的转速及功率维持在额定值,基于微分几何反馈线性化方法,提出变桨距风力发电机组恒功率控制策略.建立了风力机的仿射非线性模型,采用微分几何反馈线性化变换实现全局精确线性化;根据新的线性化模型,以风力机转速为输出反馈变量,叶片桨距角为输入控制变量,设计桨距角控制器;在风速高于额定值时调节风力机维持在额定转速,从而实现额定风速以上的恒功率控制.仿真结果表明,所提控制策略能较好地解决变桨距风力发电机组额定风速以上的恒功率控制问题,控制方法具有较好的适应性和鲁棒性.     

基于IMC-PID控制的风机叶片颤振控制研究

针对风机叶片在颤振情况下严重影响风机的运行安全和发电效率的问题,设计了一种基于内模PID控制(IMC-PID)的振动控制方法,仅需调节较少控制器参数,就能有效地抑制叶片颤振并获得良好的闭环动态特性.首先使用递推最小二乘法对高阶对象模型进行降阶,然后利用IMC-PID方法设计控制器.仿真结果表明:在风机叶片颤振控制中,IMC-PID控制器与传统PID控制器相比,控制器整定参数少,且具有更好的动态特性和鲁棒性.     

Wind turbine integrated structural and LPV control design for improved closed-loop performance

An iterative redesign algorithm is proposed to integrate the design of the structural parameters and a linear parameter-varying (LPV) controller for a three-bladed horizontal-axis wind turbine. The LPV controller is designed for an eighth-order lumped model of the wind turbine consisting of blades, drive-train and the tower. The lumped model response is matched with detailed open-loop numerical simulations using the Fatigue, Aerodynamics, Structures and Turbulence (FAST) code. The controller is scheduled in real-time based on the mean wind speed to account for the varying system dynamics. The objective is to track the operating trajectory meanwhile minimise the H _∞ performance index from the wind turbulence to the controlled output vector consisting of pitch angle, blade tip deflection, and the generator speed and torque. Sensitivity analysis of the closed-loop performance index with respect to the structural parameters of the system is examined. The integrated design problem is formulated as an iterative sequential controller/structure redesign to obtain the structural parameters and controller matrices corresponding to a local optimal performance index. Each step of the iterative procedure is formulated as a linear matrix inequality (LMI) optimisation problem that can be solved efficiently using available LMI solvers. The evolution of the structural parameters and performance index through the integrated design is illustrated. The FAST closed-loop simulations for two selected designs with the smallest values of the performance index demonstrate the improved performance of the overall system through the integrated structure/control redesign in both minimising the effect of the wind disturbance on the generator output power, and reducing the structural loads on the wind turbine.     

风力发电机组桨距角鲁棒控制器的设计与仿真

在空气动力学原理基础上建立了变浆距风力发电机组非线性数学模型,以此为基础采用基于动态逆的非线性内模控制方法设计了风力发电机组在额定风速以上工作时的桨距角鲁棒控制律,以使输出功率维持在额定值附近。设计是针对风力机的非线性数学模型进行的,克服了基于局域近似线性化模型设计方法的缺点,适应工况点大范围变动的情形,而且对系统参数摄动具有良好的鲁棒性,求解过程相对比较简单。以一台额定功率为300kW的实际风力发电机组为实例进行了对比仿真,结果表明了该方法能够满足控制要求,具有较好的动、静态特性和鲁棒性。